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Ribosomem-Hemmer als neue Tumor-Medikamente

Stellt man sich eine Zelle wie eine Fabrik vor, dann sind Ribosomen jene „Maschinen“, die die Proteine herstellen. Die Bildung von neuen Ribosomen ist für sich schnell teilende Zellen besonders wichtig. „Normale“ Zellen können mit den vorhandenen Ribosomen länger haushalten. Schnellteilende Zellen – wie es etwa Krebszellen sind – brauchen aber permanent Nachschub: „Wenn wir hier die Neubildung von Ribosomen hemmen, könnte das ein vielversprechender Ansatzpunkt für die Entwicklung effektiver Medikamente zur Tumorbehandlung sein“, erklärt Helmut Bergler von der Universität Graz.

Wie der Hemmstoff Diazaborin die Bildung neuer Ribosomen komplett zum Erliegen bringen kann, hat das interdisziplinäre Forschungsteam in Kooperation mit dem Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) und dem Institute of Science and Technology (IST) jetzt gezeigt. Die WissenschafterInnen haben sich dabei das Protein „Drg1“, das zu einer weit verbreiteten Enzym-Familie gehört, genauer angesehen. Es dient dazu, einen wichtigen Faktor von einer Ribosomen-Vorstufe abzulösen und zu recyclen, so dass dessen Reifung voranschreiten kann. „Die Hemmung von Drg1 durch Diazaborin erfolgt dabei durch einen neuartigen Mechanismus und blockiert effizient die Entstehung neuer Ribosomen“, unterstreicht Erstautor Michael Prattes das Ergebnis ihrer Untersuchungen. 

In der Studie konnte das Forschungsteam erstmals auch die Struktur von Drg1 im Zusammenhang mit Diazaborin mittels cryo-Elektronenmikroskopie bestimmen. Dabei zeigte sich, dass Diazaborin – im Gegensatz zu anderen Hemmstoffen – eine direkte Bindung zum Nukleotid Co-Faktor eingeht.
Das Wissen um die Wirkung des Hemmstoffs könnte nun einen wichtigen Beitrag für die weitere Entwicklung von neuartigen Wirkstoffen in der Behandlung von Tumoren leisten.

Referenz:
Universität Graz, IMP, IST
Structural basis for inhibition of the AAA-ATPase Drg1 by diazaborine, Nature Comm 2021,  https://www.nature.com/articles/s41467-021-23854-x

#tumor #krebs #ribosomen #zellteilung #proteine #hemmwirkung #enzym #medizin #medimpressions

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Zukunftsnahrung: Quallenchips und Seegurkensuppe

Die Weltbevölkerung nimmt rasant zu, fruchtbares Land, Süßwasser und Dünger werden knapp. Am Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung geht man daher der Frage nach, inwieweit das Meer Nahrungsressourcen birgt, die bisher noch kaum genutzt wurden.

Auf unseren Tellern könnte sich bald ein Tier finden, das als vermehrungsfreudige Plage, ein eher negatives Image hat – die Qualle. Sie besteht zwar zu rund 97% aus Wasser, ihre Trockenmasse hat aber ein interessantes Nährwertprofil mit einem hohen Anteil an essentiellen Aminosäuren, vielen Mineralstoffen und mehrfach ungesättigten Fettsäuren. Dank ihres Proteingehaltes könnten Quallen sogar Lachs oder Thunfisch ersetzen, die auch in Aquakultur kaum nachhaltig gezüchtet werden können. Aufgrund ihrer großen Artenvielfalt ist auch davon auszugehen, dass ihr Potenzial für unsere Ernährung bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Für Europäer könnten sie als kalorienarmes Superfood in Form von Chips oder Proteinpulver attraktiv werden.

Im Fokus der Wissenschaftler befinden sich auch Seegurken, von denen es rund 1700 Arten gibt, darunter einige, die über drei Meter lang werden und in allen Meeren vorkommen. Bekannt als „Ginseng der Meere“ enthalten sie unter anderen wertvollen Inhaltsstoffen auch Chondroitinsulfat, das gegen Arthrose wirken soll.
Mittels integrierter Aquakultur versucht man jetzt Wohngemeinschaften unter Wasser zu etablieren, die einen natürlichen Kreislauf bilden. So sollen etwa die Futterreste und Ausscheidungen von Fischen oder Garnelen, von anderen Zuchtorganismen wie Algen, Muscheln oder Seegurken verwertet werden. Algen, wie etwa die Meerestraube, weisen nämlich ebenfalls ein sehr breites Spektrum an nützlichen Inhaltsstoffen auf. Zudem schmeckt der „grüne Kaviar“ leicht salzig und zerplatzt im Mund geradeso wie sein Namensgeber.

Referenz:
Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)
Pressemeldung: „Food for the future”, 25.5.2021, https://www.leibniz-zmt.de/de/forschung/wissenschaftliche-projekte/food-for-the-future.html

#ernährung #nährwert #zukunft #meer #aquakultur #nahrung #ressourcen #medizin #medimpressions

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Biochips schmuggeln effizient Wirkstoffe in Zellen ein

Moderne Impfstoffe wie die gegen Sars-CoV-2 nutzen winzige Fettkügelchen, um genetische Informationen in Zellen zu bringen und so eine Immunabwehr gegen das gefährliche Virus aufzubauen. Ein Team von WissenschaftlerInnen hat nun eine ganz neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sich sehr effizient nicht nur Gene, sondern auch Wirkstoffe und andere Substanzen in Zellen transportieren lassen. Das neue Verfahren, das jetzt auch als Patent eingereicht wurde, nennt sich „Progressive Mechanoporation“.

Die ForscherInnen entwickelten einen speziellen Biochip aus einem Kunststoff, auf dem hintereinander immer enger werdende Kanäle, die mehr als zehnmal kleiner sind als ein menschliches Haar, angeordnet sind. Zellen, die durch diese Kanäle gepresst werden, strecken sich dabei immer stärker, bis Löcher in der Plasmamembran entstehen. Durch diese Löcher können dann Moleküle in das Zellinnere gelangen. Haben die Zellen die Kanäle passiert, schließen sich die Löcher von alleine wieder. Die Forschenden haben gezeigt, dass das sogar mit sehr großen Proteinen, wie beispielsweise Antikörper, klappt.

Ein großer Vorteil der Methode: Pro Sekunde können so bis zu 10.000 Zellen durch den Chip geschickt werden. Gleichzeitig ist das Verfahren sehr schonend, nur wenige Zellen werden im Vergleich zu anderen Techniken geschädigt.
Mit Hilfe der neuen Methode könnten Pharmahersteller künftig etwa sehr effizient Wirkstoffe testen, um neue Medikamente zu entwickeln. Krankenhäuser könnten in Zukunft mit der „Progressiven Mechanoporation“ routinemäßig Zellen von Patienten untersuchen und sogar behandeln.

Referenz:
TU Dresden; Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin; ICR, London
Efficient and gentle delivery of molecules into cells with different elasticity via progressive mechanoporation, Lab Chip, 2021, Advance Article;
https://doi.org/10.1039/d0lc01224f

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„Durchbruch“ ins Zellinnere

Unser Zellinneres ist aus gutem Grund durch eine Zellmembran vor unerwünschten Besuchern geschützt. Aus pharmakologischer Sicht ist dieser Schutz jedoch ein lästiges Hindernis, da große Proteine oder Antikörper nur schwer bis gar nicht ins sogenannte Zytoplasma gelangen. Die meisten Medikamente umgehen diese Barriere, indem sie an der Zelloberfläche ansetzen und ihre Wirkung über eine Reihe von weiteren Proteinen entfalten.

Um große Biomoleküle wie Proteine oder Antikörper direkt in die Zelle zu bekommen, wird seit mehr als zwei Jahrzehnten an zellpenetrierenden Peptiden geforscht. Dabei wird ein großes Molekül mit einem chemischen „Schuhlöffel“ verknüpft, der das Eindringen in die Zelle erleichtern soll. Ein Konzept, das bei großer „Fracht“ bisher aber scheiterte. Jetzt präsentieren Forscher vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin und der TU Darmstadt eine neue Lösung. Ihr Trick: Sie verknüpfen nicht nur das zu transportierende Molekül mit den zellpenetrierenden Peptiden, sondern auch die Zelloberfläche.

Wie Experimente an lebenden Zellen zeigen, wird dadurch die intrazelluläre Aufnahme von funktionalen Proteinen und Antikörpern erheblich verbessert. Diese passieren nicht nur mühelos die Zellmembran, sondern sind auch in der Zelle aktiv, ohne toxisch zu sein. Entscheidend ist auch, dass mit dem neuen Verfahren nur rund ein Zehntel der bisher verwendeten Substanz-Konzentrationen benötigt werden. Fazit des Studienleiters Anselm Schneider: ein „Durchbruch“ im wahrsten Sinne des Wortes.

Mit dieser neuen Methode könnten nun etwa Signalwege in einer Krebszelle gezielt beeinflusst oder fehlende Enzyme, zum Beispiel bei einer Erbkrankheit ersetzt werden. Gene-Editing, also eine genetische Manipulation von Zellen, könnte ebenfalls auf diesem Weg erfolgen.

Referenz:
FMP Berlin, TU Darmstadt
Cellular uptake of Large Biomolecules Enabled by Cell-surface-reactive Cell-penetrating Peptide Additives, Nature Chemistry 2021,
https://www.nature.com/articles/s41557-021-00661-x

#pharmakologie #molekültransport #zellmembran #antikörper #proteine #intrazellulär #medizin #medimpressions

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Echtzeitbeobachtung der Signalübertragung

Proteine geben innerhalb des menschlichen Körpers Informationen und Signale, indem sie ihre Strukturen verändern: So binden zum Beispiel Hormone an für sie vorgesehene Zielproteine, wodurch sie dort eine Strukturveränderung hervorrufen, die wiederum an anderer Stelle auf der Oberfläche des Proteins neue Bindestellen für andere Proteine bildet. Diese Kopplung von unterschiedlichen, voneinander entfernten Bindestellen bezeichnen Forscher als Allosterie. Eine Unterbrechung dieser Kopplung führt dazu, dass Signale nicht weitergeleitet werden.

Das kann durch gezielt dafür designte Moleküle erreicht werden, die dadurch pharmakologische Wirkung als Schmerzmittel oder Chemotherapeutikum erhalten. Wichtige Einblicke in diese Mechanismen lieferte nun ein binationales Forschungsprojekt. 

Die Wissenschaftler haben zeitaufgelöst allosterische Veränderungen im Testprotein PDZ2 verfolgt, die durch die Bindung eines so genannten Liganden hervorgerufen werden – also eines Stoffes, der an ein Zielprotein anzudocken kann. Eine Arbeitsgruppe der Universität Zürich führte hierzu zeitaufgelöste Vibrationsspektroskopie durch, Physiker der Albert-Ludwigs-Universität simulierten am Tübinger Großrechner BinAC die entsprechenden Veränderungen auf atomistischer Ebene. Durch diese Kombination konnten die Wissenschaftler mit atomarer Auflösung und einem Zeitskalenbereich von Pico- bis Mikrosekunden nachvollziehen, wie eine Veränderung des Ligandenbindungsmodus durch das Protein läuft. Diese Echtzeitbeobachtung der Signalübertragung in Proteinen zeigte: Grundlage der Allosterie sind die Veränderungen sowohl der Struktur als auch der Dynamik des Proteins, die über hierarchische Zeitskalen verläuft. Deshalb braucht eine strukturelle Veränderung in etwa zehnmal länger als eine ihr vorangehende Veränderung.

Referenzen:
Universität Zürich, Universität Freiburg

Real-time observation of ligand-induced allosteric transitions in a PDZ domain, PNAS 2020, https://www.pnas.org/content/early/2020/10/02/2012999117.short?rss=1

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Was Krebszellen resistent macht

Ein großes Problem in der Krebstherapie ist die Resistenz gegenüber chemotherapeutischen Maßnahmen. Ein internationales Team um die Biochemiker Robert Ahrends von der Universität Wien und Jan Medenbach von der Universität Regensburg hat nun Chemo-Resistenzen als Folge einer speziellen zellulären Stressreaktion identifiziert, die bei den Krebszellen durch ungefaltete Proteine“ ausgelöst wird und Veränderungen im zellulären Stoffwechsel nach sich zieht. Den neuen Mechanismus stellen die Forscher nun in „Nature Communications“ vor.

Um die Unfolded Protein Response (UPR) molekularbiologisch genau zu erfassen, wendeten die Forscher modernste analytische Methoden in Rahmen eines Multiomics-Ansatzes an – also die Kombination von großen Datensätzen aus der Genetik, Protein- und-Stoffwechselforschung. Dabei wurden Moleküle erfasst, die zuvor noch nicht mit der zellulären Stress-Antwort in Verbindung gebracht wurden.

Die Regulation dieser Gene führte etwa zu einem veränderten Folsäure-abhängigen Ein- Kohlenstoff-Metabolismus und darüber hinausgehend zu einer vollständige Resistenz der Zellen gegenüber Chemotherapeutika, die diesen Stoffwechselweg angreifen. Die neue Erkenntnis könnte zu verbesserten Konzepten der Überwindung von Resistenzen in der Krebstherapie führen.

Referenz:
Universität Wien
Pressemitteilung, 10. Juni;
https://news.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/wie-krebszellen-unter-stress-chemo-resistenzen- entwickeln/

Universität Regensburg

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